IYBSSD@TAIWAN 「科學X永續」列車
「我們是超新星的子民」---宇宙大霹靂之後,逐步形成週期表中的元素,包含人體的元素成分
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大霹靂(Big Bang)是描述宇宙的源起與演化的宇宙學模型,宇宙是在過去有限的時間之前,由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的,這一狀態被稱為奇異點。根據2015年普朗克衛星所得到的最佳觀測結果,宇宙大暴漲距今約138億年,並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。 根據推測,在大霹靂發生的瞬間,極高的能量密度讓宇宙迅速膨脹,過程中產生物質及反物質,不過,此時元素的基本單位──原子尚未誕生。經過幾分鐘,基本粒子(夸克、膠子等)生成後才有質子(電離的氫原子)和中子,接著在各種反應下,開始逐步形成周期表上的所有元素。在宇宙當中以及地球上的所有物質,包含人類身上的所擁有元素成分,都是當年在恆星內部核融合反應或超新星爆炸之後的產物,所以天文學家說:「我們是超新星的子民」。
人類元素 = 73%高質量恆星爆炸 + 16.5%低質量恆星演化末期剩餘 + 9.5%大霹靂後核融合反應 + 1%來白矮星爆炸。
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人類體內的氫,存在於每個水分子中,來自大霹靂。宇宙中沒有其他明顯的氫來源。人類體內的碳是由恆星內部的核融合反應產生的,氧也是如此。人類體內的大部分鐵是在很久以前和遙遠的恆星超新星爆發期間形成的。家裡收藏的珠寶中的黃金很可能是由中子星在碰撞過程中形成的,這種類型的碰撞可能以短時伽馬射線爆發或重力波事件的形式出現。磷和銅等元素在我們體內的含量很少,但對所有已知生命的運作至關重要。人類體內有73%的元素來自高質量恆星的爆炸,16.5%的元素來自於低質量恆星演化末期所剩的元素,9.5%來自大霹靂之後的核融合反應,1%來自於白矮星的爆炸。
氫氣、氦、甲烷、氨 > 內部噴發出氮氣及水氣等氣體 > 海洋 > 海洋生命 > 二氧化碳 ---- 光合作用 > 氧氣----紫外線 > 臭氧層 > 陸生植物出現
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地球形成之初是一團融熔狀態的岩漿,原始大氣包含氫氣、氦、甲烷、氨,地殼逐漸冷卻之後內部噴發出氮氣及水氣等氣體。氫氣由於質量輕,所以逸散至太空當中。地表均溫下降之後,水氣逐漸凝結形成海洋,其餘氣體在地球表面的極端環境下,逐漸演化出原始生命。二氧化碳由於海洋中的生物演化,漸漸運用光合作用,將大量二氧化碳轉變為氧氣,現今大氣的主要成分由氮氣占五分之四及氧氣五分之一組成。氧氣形成之後在大氣中受到陽光紫外線照射,漸漸形成臭氧層,海洋當中的生物由於臭氧層能夠阻擋陽光紫外線的傷害,能夠逐漸到陸地上生存。現今的固態、液態及氣態的地球組成大致成形。
生態能量塔---遠古生物死亡後經高溫高壓形成的化石燃料終會開採耗盡,而人 類以此為能源使其中的碳急速形成碳排回到大氣,擾亂生態系平衡而造成生態 危機。
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在遠古的恐龍時代,許多生物死去後累積在地層中,經過地殼的壓力和高溫作用形成煤、石油、天然氣等化石燃料,所以化石燃料不過是遠古生態能量塔的累積結果。這個資產被我們開採出來使用,當然也會有竭盡的一刻。從生態循環的角度看待,人類把遠古休眠的碳循環又活化,而且以極快的速率把碳釋放回大氣之中,擾亂了目前已經建立的平衡狀態,造成現今巨大的生態危機。
交通為碳排放主要因素,為追求綠能/減碳,電動車的發展刻不容緩,其電池重要原料鋰礦需求大幅增加,掀起「強池奪鋰」潮 。
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土壤裡化學元素的資源 隨著世界各國逐漸提倡永續能源的使用,電動車、太陽能、風力發電等再生能源相關設施的需求激增,其中設備原料如鋰、鈷、鎳、銅、鋁等礦產需求隨之增加。交通為碳排放的主要來源,為追求綠能及減碳,電動車的發展已成一股浪潮,其中電池重要原料鋰礦的需求也大幅增加。採礦及提煉鋰的過程往往需要克服環保問題及各種檢核程序,因此常面臨供不應求的情況。
量化生產週期並累積糧食是農業的精髓,更是人類世形成關鍵。早期科學家累積建置農業植物庫,今台灣農業科技更是卓越。
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農業是人類馴服自然的重要步驟,尤其是把自然界中的植物納入人的管控之下,做可預期的生產週期而累積大量的糧食,就是人類世之所以能形成的關鍵。早期「民間科學家」(folk scientists)觀察作物的生命週期,逐漸掌握繁殖的要素,包括授粉的必要,於是建立各式各樣的農業植物庫以提供多樣食物。孟德爾就是一個這樣的科學家,從農夫的豌豆躍昇到科學的大突破,是基礎科學對社會貢獻的最佳例證。今天台灣也有許多的科學家,在農業第一線為台灣糧食安全做出重大貢獻。例如,苗栗農改場將愛玉子從野生藤本植物馴化為新果樹作物,充分掌握愛玉子的生長條件和果子的授粉小蜂間的互利共生關係,使得愛玉凍成為流行的休閒飲品,堪稱是一個奇妙的成果!
「有土斯有財、有財斯有用」,人類對土壤的了解源於對糧食的需求,土壤科學成形於19世紀以後,由於物理學、化學、生物學、地質學與地理學等基礎科學的進展,使土壤能被有系統性的認識。
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在說文解字中,土乃指地之吐生物者也,是生養萬物的基礎;壤,則為鬆軟的土,可耕之地的意思。因此,土壤,是可以耕種、養育一切生命的珍貴資源。所以我們說,「有土斯有財、有財斯有用」,有了土壤,才能帶來一切的財富。人類對土壤的了解,起源於對糧食的需求,但真正使土壤成為一門獨立的科學,則是在19世紀以後,由於物理學、化學、生物學、地質學與地理學等基礎科學的逐漸發展,才使土壤能被有系統性的探討與認識。古今中外許多大規模的戰爭,都是起因於爭奪土地,例如五胡亂華;以色列人與巴勒斯坦人的連年戰事,最主要原因就是為了爭奪肥沃的土地;波斯王朝之所以滅亡,是因為肥沃的美索布達米亞平原土壤劣化,糧食生產不夠,因此造成經濟不穩定、社會動當不安而走向敗亡。
人口驟增 > 糧食需求量上升>農藥化肥量大增> 森林山坡地開發成農地>>>人類活動破壞環境,土壤資源是重要自然資源要加強重視與保育。
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20世紀中葉以來,隨著全球人口的不斷增加,人類對糧食的需求也迫切的提高。為了增加糧食作物的產量以應付愈來愈多的人口,森林與山坡地不斷地被開發成為農耕土地,而農藥與化學肥料也大量地投入土壤。工業的高度發展與人類活動的各種破壞與干擾,造成土壤資源與自然環境生態面臨了重大的衝擊,這些危害的規模及程度,一直到現今仍然不斷的擴大,所以人類一直被人口、糧食、資源與環境所同時產生的錯綜複雜問題困擾著。所以,土壤是21世紀最重要的自然資源,大家應該加強重視及保育。 延伸閱讀 : Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg2/
土壤的通氣、排水、質地粗細等決定酸鹼度(pH值)、肥力、有機物質等決定供給植物養分多寡並支配扎根深度,土壤中的眾多微生物將有機物質分解轉化為無機態養分供植物吸收
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土壤最大的功能,是讓不同的植物立足,使根在土壤中伸展而供給植物生長所需要的養分、水分及氧氣。土壤的通氣、排水、質地粗細等,是決定土壤供應水分與養分能力的因素,土壤的酸鹼度(pH值)、肥力、有機物質含量等,則是決定土壤供給植物養分多寡的因素,並且支配著植物的根伸入土壤的深度,以及土壤保持水分與供應養分的能力,同時土壤中所含有的眾多種類微生物,會將有機物質分解轉化為無機態的養分供植物吸收 。
摘錄文章出處 有機質肥料肥效觀察點,可提升土壤3大性質:物理、化學、生物,遠勝於供肥能力---有機質肥料肥效觀察點,可提升土壤3大性質:物理、化學、生物,遠勝於供肥能力
土壤就像水與空氣一樣重要,卻常忽略了土壤重要的存在,但土壤卻是萬物之母
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土壤就像水與空氣一樣,在人類的身邊垂手可得。我們無時無刻要呼吸新鮮空氣與飲用乾淨的水,因此會特別注意水與空氣的存在與強調兩者的重要性;可是,土壤不像水或空氣迫切被人類需要,土壤長時間被人類踩在腳下,土壤支撐起人類每日的生活,但是我們卻常常忽略了土壤的存在。風土(Terroir),指的是特殊的地理環境中,由 土壤、 空氣、水、陽光與植物 (糧食)所組成的一種自然與人文景觀,其中土壤的影響最重要,因為土壤是我們的衣食父母,因為它提供植物生長;土壤是天然的過濾器,因為它可以供應水源、淨化水質;土壤讓人讓人腳踏實地,因為它可以做為建築與道路的基礎;土壤孕育萬物,因為它是生物的棲息地;土壤可以生生而不息,因為它為地球換氣、轉變養分。所以,有了健康的土壤,才有健康的生物、環境與安全的地球。
岩石風化成土壤,提供植物生長所需
巨量元素:氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂;微量元素為鐵、錳、銅、鋅、硼、氯、鉬、鈷
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健康的土壤 想要收穫健康的食物,需要先有健康的土壤,同時也是達成SDGs的重要先決條件。合適的酸鹼值、水分、養分是健康土壤不可或缺的要素。當岩石風化成為土壤,當中也含有豐富的有機質,及有益微生物可幫助植物將有機物質轉化成可吸收的營養元素,以利植物生長。此外,生活在土壤中的蚯蚓,不僅在活動時間接翻鬆了土壤,食用有機質後所排出的糞便,也會提供植物生長所需的養分,環環相扣之下,方可培植出健康的植物及糧食供生物食用。不僅如此,土壤中的微生物也能夠捕捉大氣中的碳並固定下來,成為重要的土壤有機質。若能將碳透過耕作行為匯集回土壤之中,則能直接減少大氣中的碳含量,幫助緩解及適應氣候變遷。
2021年台灣廚餘48萬公噸 =每人150公斤廚餘 廚餘產生溫室氣體佔全球總量7% = 33億噸二氧化碳當量 減少糧食浪費就是減少溫室氣體排放進而減緩氣候變遷。
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大地之母──蓋亞 美國太空總署的太空生理學家洛夫洛克(James E. Lovelock)於1969年提出「大地之母假說(Gaia hypothesis)」,是第一個正式以科學角度探討「大地之母」的文獻。他認為地球本身是一個有生命的意識體,生命與環境相互作用,構成能夠自我調控和回饋的整體,使地表環境如大氣層、海洋、土壤等等,維持適合一切生命成長的穩定狀態。
聯合國糧農組織預估,自2005 / 2007年至2050年間,肉品及蛋類需增加70%的生產量以負荷人口增長所需。食物從生產到消費過程中,每一階段都可能產生損失或浪費,包括收成、儲存、運輸、加工包裝、烹調使用等。超過半數的食物浪費發生於亞洲,我們看見的食物浪費很可能只是冰山一角。每年大約有13億噸的食物遭到損失或浪費,這約為供應全球人類所需的食物產量的1/3。約有30%的穀物、45%的蔬果、20%的種子油與豆製品、45%的根莖類、20%的乳製品、30%的漁產、20%的肉類損失或浪費掉。就連我國最主要的糧食作物之一「稻米」,平均全年約過剩30萬公噸。大地之母所孕育的寶貴環境與資源逐漸失衡。
遠古生物死亡後經高溫高壓形成的化石燃料終會開採耗盡,而人類以此為能源使其中的碳急速形成碳排回到大氣,擾亂生態系平衡而造成生態危機。
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在金字塔的營養級序列中,上一個營養級總是依賴於下一個營養級的能量而存在。在健康的生態系統中,生物質能的生產力從低到高營養級也呈逐級減少的趨勢,因為能量傳遞存在一定的損耗。每一級的生物不但需要產生足夠繁衍自身的能量,而且在經過有損耗傳遞後還要供養上一級生物並使其穩定繁衍。 生態能量塔自生物出現且形成生態系以來,其運作方式大致不變,都以太陽作為能量的終極提供者。即使是恐龍暴走地球的遠古年代,雖然生產者、各級消費者等成員有所變動,關鍵的「太陽能擷取」仍仰賴具有葉綠體的綠色植物延展葉片表面積,接收陽光進行光合作用來固碳。除了光能之外,光合作用還需要二氧化碳和水,以製造碳水化合物(醣類)。然而,植物還需要氮、磷、硫及其他微量元素,才能製造脂質、蛋白質、核酸等分子,以完成代謝、成長並繁衍後代。因此大氣和土壤就是這些素材的來源。
人類糞便、胎盤中均發現小於5毫米微塑膠,且會通過『母體』傳播給胎兒。年塑膠使用量 : 農業4980萬噸/畜牧養殖業1020萬噸/漁業210萬噸/林業20萬噸
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生病的土壤 土壤中的汙染物對會對生物器官及生理系統產生廣泛影響,可能導致急慢性疾病、發育問題、生理機能異常甚至死亡。據估計,亞洲是農業生產中塑膠的最大用戶,佔全球使用量的近半量,但若沒有可行的替代品,農業對塑膠的需求還會繼續增加。聯合國糧農組織專家表示,儘管關於塑膠汙染的科學研究大多針對海洋和水生生態系統,但農業土壤被認為同樣受到塑膠的汙染,且需要更多的考證與研究。工業生產、農業化學品、採礦、汽車廢氣、未妥善回收的固體廢物等人類活動是土壤污染的主要來源,人類亟須努力促進、採用友善環境及永續的生產與管理流程、減少浪費、積極回收再利用、在採礦計畫中納入復育措施等。
全球每年有1/3、近13億噸的食物浪費,且50%的食物浪費發生在亞洲
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聯合國糧農組織預估,自2005 / 2007年至2050年間,肉品及蛋類需增加70%的生 產量以負荷人口增長所需。食物從生產到消費過程中,每一階段都可能產生損 失或浪費,包括收成、儲存、運輸、加工包裝、烹調使用等。超過半數的食物 浪費發生於亞洲,我們看見的食物浪費很可能只是冰山一角。每年大約有13億 噸的食物遭到損失或浪費,這約為供應全球人類所需的食物產量的1/3。約有 30%的穀物、45%的蔬果、20%的種子油與豆製品、45%的根莖類、20%的乳製 品、30%的漁產、20%的肉類損失或浪費掉。
愛玉子藤攀爬到樹頂,以枝葉爭取陽光,與微生物共生代謝滋養土壤,再榕果小蜂授粉與愛玉子結果,完成整體生態能量循環。
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愛玉是一種大型的藤本植物,台灣特產植物,原生於中央山脈1200~1800公尺的高山中,現在則於台灣的中、南及東部800~1800公尺的闊葉林中都可以看見的蹤跡。 現在全台灣產量最高的是嘉義縣梅山鄉,在野外,一棵攀附於大樹上的野生愛玉子,豐收時可以結出三千顆果實。
愛玉從開花、授粉、結子,都包裹在厚厚的「隱頭花序」中進行,只有一種「榕果小蜂」能夠爬進去授粉,為了要感謝小蜂,有的愛玉的果實可以供小蜂居住,這種果實一打開看不到種子,只有密密麻麻的小蟲在裡面爬來爬去,這種果子就叫做「蟲癭果」,有的愛玉就會有滿滿的種子,這就是我們要的愛玉子,會生蟲癭果的就是公的,而會結愛玉子的就是母的。
愛玉子為雌雄異株,雌隱花果3月底即在葉腋部由細小的芽體開始行成,6月中左右開花並藉由雌小蜂授粉,經過4-5個月發育期,在10月中旬左右果實開始成熟裂開。雄隱花果一年中有二個世代,雄隱花果之發育是完全配合雌隱花果而來,它們可能在8月中自腋芽開始萌發,到了11月中花,以便讓雌小蜂鑽入產卵,雄隱花果越過了冬天,到了六月中時完全成熟,自頂端開口,釋出雌小蜂,而此雌小蜂則可進入開花中的雌隱花果或開花中的雄隱花果(♂2)產卵。♂2代表另一單株之雄隱花果,其發育時間有別於♂1,而且其發育之時期與雌隱花果完全一致。雌小蜂便是在這種不同發育時期之愛玉子植株間穿梭來回,以便完成小蜂之生活史,同時也使得愛玉子有性世代得以完成。
PS: 榕果小蜂是一種寄生蜂,牠生於愛玉,以愛玉為營養來源及棲息處,最後也埋葬於愛玉,短暫的生命就忙著完成授粉的任務,,並把下一代託愛玉照顧。關鍵在隱花果尾端的這條窄縫有特殊機關,易進難出,即使是體積只有○.二公分的「愛玉小蜂」也只能進、不能出,雌小蜂鑽入後,產卵在子房形成蟲癭,小蜂產卵後出不來就死在洞口了。
過一陣子,孵出來的雄小蜂先破癭而出,出於本能的,牠們會尋找即將孵化的雌蟲癭,咬破蟲癭將尾部塞入,強行與雌性交配,所以雌小蜂在孵化前就已受孕。更令人驚訝的是,雄小蜂會身先士卒替雌小蜂開路,待雌小蜂孵化後,即可循此道路飛出。
愛玉是台灣特產的大型的藤本植物,從開花、授粉、結子,都包裹在果實般的厚厚「隱頭花序」中進行,而且開口狹小又特別,只有體長二公釐的「愛玉小蜂」進得去。愛玉為雌雄異株,雌愛玉株結的雌果才能授粉結子,結出的滿滿種子就是我們使用的愛玉子。雄愛玉株結的雄果因果實中只有小蜂而沒有種子故又稱「蟲癭果」,作為營養來源及棲息處專供愛玉小蜂產卵、生長與交配,當愛玉小蜂從雄果中離開時會沾滿花粉,造訪雌果時就會使其授粉。有愛玉小蜂的生活史與愛玉植株緊密相依,加上苗栗農改場農業專家多年的育種成果,台灣民眾才能盡情享用清香的愛玉凍。
雌小蜂在鑽出愛玉的過程中,全身會沾滿花粉,然後尋找下一個目標去產卵,牠可能會飛往雌果或雄果,但發揮的功效卻完全不同。沾滿花粉後飛往雌果的成蜂能成功授粉,結出愛玉子。當一顆雄隱花果成熟時,末端微裂,發出類似求偶的味道吸引雌小蜂,飛進去產卵就達成傳宗接代的目的,之後在洞口壯烈成仁,為全劇劃下完美的句點。
資料參考:愛玉vs.小蜂 生死「鏈」
「科學X永續」列車科學內容專業諮詢團隊
|俯仰之間,萬物相惜|
Harmony with nature
陳育霖 國立臺灣師範大學 物理學系/師資培育學院
邱美虹 國立臺灣師範大學 科學教育研究所
許正一 國立臺灣大學 農業化學系
于宏燦 國立臺灣大學 生命科學系/CASE-科學教育發展中心
賴亦德 國立臺灣大學 CASE-科學教育發展中心
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|地球是人類的太空船|
Treasure Spaceship Earth
趙奕姼 社團法人中國化學會
張一知 國立臺灣師範大學 化學系
陳竹亭 國立臺灣大學 化學系
賴以威 國立臺灣師範大學 電機工程學系/數學教育中心
詹瀅潔 國立臺灣大學 土木工程學系
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|守護變遷下的海洋與森林|
We for the ocean & the forest
林卉婷 國立臺灣大學 海洋研究所
徐堉峰 國立臺灣師範大學 生命科學系
許瑛玿 國立臺灣師範大學 科學教育研究所
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|凡走過必留下碳足跡|
Every Step Leaves a C Footprint
賈至達 國立臺灣師範大學 物理學系
張四立 國立臺北大學 自然資源與環境管理研究所
陳冠勛 國立臺灣師範大學 長期社會生態核心觀測站規劃辦公室
侯彥宇 國立臺灣師範大學 長期社會生態核心觀測站規劃辦公室
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|歐兔(O2)行銷推廣組|
黃琴扉 國立高雄師範大學 科學教育暨環境教育研究所
鄭夢慈 國立彰化師範大學 生物學系
「科學X永續」列車美術設計團隊
|流寓工作室|
張致中設計師 / 周明誼設計師 / 賴慧珈設計師
「科學X永續」列車網頁遊戲設計
幻鼎數位科技有限公司
指導單位
國家科學及技術委員會
IYBSSD@
國立臺灣師範大學、國科會自然科學及永續研究推展中心、國立成功大學、台灣物理學會、中國化學會
特別感謝
臺北市政府教育局、臺中市政府、高雄市政府教育局、臺北大眾捷運股份有限公司、桃園大眾捷運股份有限公司、臺中捷運股份有限公司、高雄捷運股份有限公司、晶賀整合行銷有限公司、東森新媒體控股股份有限公司、台灣摩菲爾國際股份有限公司、高瞻廣告股份有限公司